《【精编】离子注入工艺培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【精编】离子注入工艺培训课件（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020 4 21 1 第四章离子注入工艺 离子注入的特点是加工温度低 易做浅结 大面积注入杂质仍能保证均匀 掺杂种类广泛 并且易于自动化 由于采用了离子注入技术 大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展 从而使集成电路的生产进入了大规模及ULSI时代 2020 4 21 2 一 离子注入工艺设备结构 离子注入机原理图 2020 4 21 3 2020 4 21 4 二 离子注入工艺的特点 1 注入的离子是通过质量分析器选取出来的 被选取的离子纯度高 能量单一 从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响 另外 注入过程是在清洁 干燥的真空条件下进行的 各种污染降到最低水平 2020 4 21 5
2、 2 可以精确控制注入到硅中的掺杂原子数目 3 衬底温度低 一般保持在室温 因此 像二氧化硅 氮化硅 铝何光刻胶等都可以用来作为选择掺杂的掩蔽膜 4 离子注入深度是随离子能量的增加而增加 因此掺杂深度可以通过控制离子束能量高低来实现 另外 在注入过程中可精确控制电荷量 从而可精确控制掺杂浓度 2020 4 21 6 5 离子注入是一个非平衡过程 不受杂质在衬底材料中的固溶度限制 原则上对各种元素均可掺杂 6 离子注入时的衬底温度低 这样就可以避免了高温扩散所引起的热缺陷 7 由于注入的直进性 注入杂质是按掩膜的图形近于垂直入射 因此横向效应比热扩散小的多 有利于器件特征尺寸的缩小 2020 4
3、 21 7 8 离子往往是通过硅表面上的薄膜注入到硅中 因此硅表面上的薄膜起到了保护膜作用 9 化合物半导体是两种或多种元素按一定组分构成的 这种材料经高温处理时 组分可能发生变化 采用离子注入技术 基本不存在上述问题 因此容易实现对化合物半导体的掺杂 2020 4 21 8 基个概念 1 靶 被掺杂的材料 2 一束离子轰击靶时 其中一部分离子在靶面就被反射 不能进入靶内 称这部分离子为散射离子 进入靶内的离子成为注入离子 3 非晶靶成为无定形靶 本章所涉及道德靶材料 都是按无定形来考虑 2020 4 21 9 三 离子注入原理 离子 是一种经离化的原子和分子 也称 等离子体 它带有一定量的电
4、荷 等离子发生器 已广泛应用到CVD 金属镀膜 干法刻蚀 光刻胶的去除等工艺中 而在离子注入的设备中 它被用来制造工艺所要注入的离子 因为离子带电荷 可以用加速场进行加速 并且借助于磁场来改变离子的运动方向 当经加速后的离子碰撞一个固体靶面之后 离子与靶面的原子将经历各种不同的交互作用 如果离子 够重 则大多数离子将进入固体里面去 反之 许多离子将被靶面发射 2020 4 21 10 当具有高能量的离子注入到固体靶面以后 这些高能粒子将与固体靶面的原子与电子进行多次碰撞 这些碰撞将逐步削弱粒子的能量 最后由于能量消失而停止运动 新城形成一定的杂质分布 同时 注入离子和晶格原子相互作用 那些吸收
5、了离子能量的电子 可能激发或从原子之内游离 形成二次电子 2020 4 21 11 离子在硅体内的注入深度和分布状态与射入时所加的电场强度 离子剂量 衬底晶向等有关 通常 在离子剂量和轰击次数一致的前提下 注入的深度将随电场的强度增加而增加 实践表明 用离子注入方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完全不同的 扩散法得到的杂质分布近似为余误差函数和高斯函数分布 而用离子注入法形成的分布 其浓度最大值不在硅片表面 而是在深入硅体一定距离 这段距离大小与注入粒子能量 离子类型等有关 2020 4 21 12 在一般情况下 杂质浓度最大值在距离表面0 1um处 其分布有一点像高斯分布 是由于杂质被电场加
6、速注入到硅片内后 受到硅原子的阻挡 使其动能完全消失 停留在原位 但由于杂质离子具有的能量是不均匀的 也就是使杂质离子的能量有大有小 这样就形成了按一定的曲线分布 能量大和能量小的都是少数 而能量近似相等的居多数 当然注入后 能量最大的注入深 能量小的注入浅 2020 4 21 13 离子注入的杂质分布还与衬底晶向有关系 如果注入的离子沿规则排列的晶格方向进入硅中 离子可能要走很长一段路途才碰到硅原子 因此 进入深度就大 使杂质分布出现两个峰值 这种现象称为 沟道效应 向 晶向注入时 往往会发生这种沟道效应 而再偏离一定角度 情况就好得多 2020 4 21 14 离子注入时 由于受到高能量杂
7、质离子的轰击 硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷 严重时会出现非晶层 这种缺陷一定要经过退火处理来消除 所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的 与扩散一样 离子注入也需要掩蔽 其掩蔽物可以是二氧化硅 氮化硅 AL2O3及AL都行 且掩蔽膜厚度随电场强度和杂质剂量的增加而加厚 2020 4 21 15 4 1核碰撞和电子碰撞 LSS理论 注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程 1 核碰撞 2 电子碰撞 总能量损失为它们的和 2020 4 21 16 核碰撞和电子碰撞 2020 4 21 17 2020 4 21 18 一 核阻止本领 能量为E的一个注入离子 在单位密度靶内运动单位长度时
8、 损失给靶原子核的能量 2020 4 21 19 二 电子阻止本领 同注入离子的速度成正比 即和注入离子能量的平方根成正比 2020 4 21 20 三 射程的概念 4 2注入离子的分布 2020 4 21 22 一 纵向分布 2020 4 21 23 注入离子的分布计算 1 平均投影射程Rp 标准偏差 R通过查表根据靶材 Si SiO2 Ge 杂质离子 B P As N 能量 keV 2 单位面积注入电荷 Qss It A I 注入束流 t 时间 A 扫描面积 园片尺寸 3 单位面积注入离子数 剂量 Ns Qss q It qA 4 最大离子浓度 NMAX 2020 4 21 24 注入离子
9、分布 N x NmaxN x 距表面x处的浓度 Rp 查表所得的标准偏差Nmax 峰值浓度 x Rp处 Rp 平均投影射程 2020 4 21 25 离子注入结深计算 2020 4 21 26 二 横向效应 2020 4 21 27 横向系数 B Sb 约0 5但比热扩散小 0 75 0 85 2020 4 21 28 三 沟道注入 1 入射离子的阻挡作用与晶体取向有关 2 可能沿某些方向由原子列包围成直通道 沟道 离子进入沟道时 沿沟道前进阻力小 射程要大得多 2020 4 21 29 3 沟道效应的存在 将使得对注入离子在深度上难以控制 尤其对大规模集成电路制造更带来麻烦 如MOS器件的结
10、深通常只有0 4um左右 有了这种沟道效应万一注入距离超过了预期的深度 就使元器件失效 因此 在离子注入时 要考虑到这种沟道效应 也就是说要抑止这种现象的产生 2020 4 21 30 4 目前常用的解决方法有三种 1 是将硅片相对注入的离子运动方向倾斜一个角度 7度左右最佳 2 是对硅片表面铺上一层非结晶系的材料 使入射的注入离子在进入硅片衬底之前 在非结晶层里与无固定排列方式的非结晶系原子产生碰撞而散射 这样可以减弱沟道效应 2020 4 21 31 3 是对硅片表面先进行一次离子注入 使结晶层破坏成为非结晶层 然后进入离子注入 这三种方法都是利用增加注入离子与其他原子碰撞来降低沟道效应
11、工业上常用前两种方法 2020 4 21 32 四 复合 双层 靶注入 离子在两层靶中均为高斯分布M1 Rp1 Rp1 d Rp1M2 Rp2 Rp2 M1中未走完的路程 2020 4 21 33 4 3注入损伤一 损伤的形成 2020 4 21 34 靶原子变形与移位 形成空位 间穴原子 注入离子并不正好处于格点上 解决 退火 激活 2020 4 21 35 二 移位原子数的估算 2020 4 21 36 三 非晶层的形成 2020 4 21 37 四 损伤区的分布 轻离子 电子碰撞为主 位移少 晶格损伤少 2020 4 21 38 重离子 原子碰撞为主 位移多 晶格损伤大 2020 4 2
12、1 39 4 4热退火 退火 将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮 氩等高纯气体的保护下 经过适当时间的热处理 部分或全部消除硅片中的损伤 少数载流子的寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复 电激活掺入的杂质分为普通热退火 硼的退火特性 磷的退火特性 扩散效应 快速退火 2020 4 21 40 1 普通热退火 退火时间通常为15 30min 使用通常的扩散炉 在真空或氮 氩等气体的保护下对衬底作退火处理 缺点 清除缺陷不完全 注入杂质激活不高 退火温度高 时间长 导致杂质再分布 2020 4 21 41 2 硼的退火特性 1区单调上升 点缺陷 陷井缺陷消除 自由载流子增加2区出现反退火特性 代位
13、硼减少 淀积在位错上3区单调上升剂量越大 所需退火温度越高 2020 4 21 42 3 磷的退火特性 杂质浓度达1015以上时出现无定形硅退火温度达到600 800 2020 4 21 43 热退火问题 简单 价廉激活率不高产生二次缺陷 杆状位错 位错环 层错 位错网加剧 2020 4 21 44 4 扩散效应 2020 4 21 45 5 快速退火 2020 4 21 46 4 5离子注入优缺点 一 离子注入的优缺点优点 1 可在较低的温度下 将各种杂质掺入到不同的半导体中 2 能精确控制掺入基片内杂质的浓度分布和注入深度 3 可以实现大面积均匀掺杂 而且重复性好 4 掺入杂质纯度高 5
14、获得主浓度扩散层不受故浓度限制 2020 4 21 47 6 由于注入粒子的直射性 杂质的横向扩散小 7 可以置备理想的杂质分布 8 可以通过半导体表面上一定厚度的四SiO2膜进行注入而实行掺杂 9 工艺条件容易控制 2020 4 21 48 缺点 1 高能离子注入改变晶格结构 2 设备贵 二 对VT的控制 2020 4 21 49 2020 4 21 50 三 自对准金属栅的结构 2020 4 21 51 四 离子注入的应用 2020 4 21 52 P阱 CMOS流程中的离子注入 1 P阱注入2 场注入 P阱内 Vtn03 P管开启注入 P阱外 Vtp4 P 区注入5 N 区注入 2020 4 21 53
